Diabète Chaussures intelligentes pour patients diabétiques

Nouveautés en
médecine 2015
Diabète
Chaussures intelligentes pour patients diabétiques
Drs ZOLTAN PATAKY a, DANIEL GRIVON b, YOAN CIVET b et Pr YVES PERRIARD b
Rev Med Suisse 2016 ; 12 : 143-7
Les taux d’ulcération et d’amputation des membres inférieurs chez
des patients diabétiques demeurent très élevés et sont donc
inacceptables. Les récidives d’ulcères plantaires qui augmentent le
risque d’amputation sont fortement liées à la difficulté d’obtenir
une décharge d’une zone à risque du pied et surtout le maintien
de cette décharge sur le long terme. Vu leur complexité d’utilisa­
tion au quotidien, les dispositifs de décharges disponibles actuel­
lement sont très peu prescrits par les spécialistes et très peu portés
par les patients, avec une adhérence thérapeutique très basse.
Cet article résume la problématique de décharge du pied diabé­
tique et décrit le concept de chaussures intelligentes que nous
avons développées, basé sur la mesure et l’adaptation permanente
et automatique de la raideur de la semelle en fonction de la vie
quotidienne des patients.
Intelligent footwear for diabetic patients
The incidence of diabetic foot ulcerations and lower extremity amputations remains very high and inacceptable. The high risk of ulceration and consequent amputation is strongly related to difficulties to
obtain foot off-loading, particularly on long term. Due to the complexity of their utilization, the available foot off-loading devices are
underused both by health care providers and patients with very low
therapeutic adherence.
This article summarizes the foot off-loading in diabetic patients and
describes the concept of intelligent footwear we developed, based
on continuous measurements and permanent and automatic adaptations of the shoe insole’s rigidity.
Diabète et amputations
Malgré des efforts importants et des techniques sophistiquées
ces vingt dernières années, le diabète reste l’une des premiè­res
causes d’amputation non traumatique des membres inférieurs
au niveau mondial. Chaque année, plus d’un million de patients
diabétiques perdent une jambe en lien avec leur pathologie. Il
est alarmant de constater que chez les diabétiques une ampu­
tation est réalisée toutes les 30 secondes dans le monde.1 Par
année, nous comptons plus de 90 000 amputations des mem­
bres inférieurs aux Etats-Unis et plus de 250 000 amputations
en Europe.2 Ces chiffres sont d’autant plus inquiétants que la
a Service d’enseignement thérapeutique pour maladies chroniques, Centre
collaborateur de l’OMS, Département de médecine communautaire, de premier
recours et des urgences, HUG et Université de Genève, 1211 Genève 14, b Ecole
polytechnique fédérale de Lausanne, Institut de microtechnique – Laboratoire
d’actionneurs intégrés, Rue de la Maladière 71B, 2002 Neuchâtel
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mortalité peut atteindre 30 % à 30 jours de l’amputation et
50 % à une année.3
La grande majorité des amputations (85 %) sont précédées
d’un ulcère plantaire.4 En effet, la perte de la sensibilité à la
douleur (perte de la sensation d’alarme), conséquence de la
polyneuropathie périphérique (PNP), est un facteur impor­
tant dans le développement des ulcères. Cette PNP concerne
environ 50 % des patients diabétiques.5 Cependant, la préva­
lence dépend de la méthode utilisée pour le diagnostic et un
taux de prévalence de 100 % a également été rapporté.6
L’absence du signal d’alarme dû à la PNP entraîne une mau­
vaise perception des microtraumatismes locaux qui, par leur
intensité mais surtout par leur répétition, aboutissent à la
constitution d’un ulcère. La présence d’une artériopathie pé­
riphérique, souvent présente chez les personnes diabétiques,
contribue à l’aggravation du problème. Une atteinte artérielle
peut aussi contribuer à l’élévation des pressions plantaires
(PP) et à la durée prolongée du contact du pied au sol chez les
patients diabétiques avec pied neuro-ischémique.7
Pression plantaire élevée – facteur
de risque important
La PNP diabétique est une pathologie complexe. Sa compo­
sante motrice est à l’origine d’une atteinte des muscles intrin­
sèques, avec un déséquilibre des muscles extenseurs et flé­
chisseurs, conduisant à des anomalies de la statique et de la
dynamique du pied.8 Il s’agit de déformations caractéristiques,
telles qu’un affaissement de la voûte plantaire, des orteils en
marteau ou en griffe et des pieds creux avec prédominance de
la PP à la tête des métatarsiens.8 Ces déformations entraînent
une répartition anormale des points de pression.
Il a été démontré que l’augmentation de la PP est présente
dans 94 % des ulcères plantaires.9 C’est la combinaison de ces
déformations et de la diminution ou de l’absence de la sensi­
bilité qui induit un fort risque d’ulcération et d’amputation
du pied diabétique.
Les zones à haute PP favorisent également le développement
d’une hyperkératose qui, elle-même, peut représenter un risque.
En dessous de l’hyperkératose peut se former une hémorragie
(liquide non compressible) qui contribue au microtraumatisme
des tissus sous-cutanés à chaque pas. Nous avons pu démon­
trer qu’une simple hyperkératose peut induire un excès de PP
allant jusqu’à l’équivalence de 18 600 kg par jour.10 Lors d’une
hyperpression plantaire et / ou d’un traumatisme du pied, une
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personne sans atteinte neurologique va adapter sa manière de
marcher en fonction de la douleur provoquée par la zone
d’hyperpression, d’hyperkératose ou de la plaie.
Une personne diabétique avec une PNP n’est pas sujette au
­signal d’alarme et continue de marcher même si une plaie se
développe sous son pied. Cette plaie n’est ni perçue ni dou­
loureuse pour le patient. Elle se transforme rapidement en
­ulcère, devient chronique et s’infecte (figure 1).
Il est important de rappeler qu’une pression externe due par
exemple aux chaussures mal adaptées ou à des corps étran­
gers à l’intérieur des chaussures peut aussi être un facteur
­déclenchant de l’ulcère chez les patients avec PNP. Au sein
d’une population diabétique, 57 % des femmes (33 % des hom­
mes) portent des chaussures trop courtes et 52 % des femmes
(16 % des hommes) portent des chaussures trop étroites.11
Décharge du pied diabétique –
mission impossible ?
La décharge du pied diabétique est probablement l’élément le
plus important mais aussi le plus difficile à obtenir dans la
prise en charge des patients. Ceci reste valable aussi bien pour
le traitement que pour la prévention des ulcères et des maux
perforants plantaires.
Il existe aujourd’hui plusieurs modalités de décharge chez des
patients présentant un ulcère plantaire,12 le plâtre non amo­
vible (Total Contact Cast) étant considéré comme le « gold
standard ». Cette technique de botte plâtrée permet une dimi­
fig 1
De l’hyperpression plantaire à l’ulcère infecté
Evolution souvent indolore.
Hyperkétarose
Hémorragie sous-cutanée
nution de la PP allant jusqu’à 87 %13 avec une guérison rappor­
tée de 70 à 90 % mais avec un taux de récidives d’ulcère variant
de 30 à 70 % à cinq ans.14 Il est à noter que seuls 2 à 35 % des
patients chez lesquels cette botte plâtrée est indiquée portent
réellement ce dispositif de décharge.15 Parmi les centres de ré­
férence de pied diabétique, seul 1,7 % d’entre eux mettent en
place la botte plâtrée pour leurs patients comme moyen de
décharge,16 et ceci malgré la relative simplicité du plâtre. En
plus des complications que le port d’un plâtre chez une per­
sonne avec une atteinte non seulement neurologique mais
aussi artérielle des membres inférieurs peut représenter (par
exem­ple, le risque d’infection), son usage restreint les pa­
tients dans leurs activités de la vie quotidienne, ce qui pour­
rait expliquer l’échec de ce traitement et la sous-utilisation de
ce moyen par les différents centres.
Parmi d’autres moyens de décharge, nous pouvons mentionner
le plâtre (botte) amovible qui est équivalent à la botte plâtrée
en termes de décharge.17 Il s’agit d’une botte qui peut être en­
levée par le patient à tout moment, ce qui contribue à une ob­
servance au quotidien très basse de la part des patients.18
Les chaussures de décharge de l’avant-pied (par exemple, de
type Barouk) peuvent être très efficaces pour la cicatrisation
d’un ulcère de l’avant-pied (ulcères les plus fréquents). Leur
inconvénient majeur reste les troubles d’équilibre qu’elles
peuvent induire avec un risque de chute pour une population
déjà fragilisée par la présence de la PNP.19
Un fauteuil roulant ou un alitement total sont des moyens très
efficaces de cicatrisation des ulcères plantaires. Cependant, le
patient ne peut (veut) pas être alité sur une longue période :
ces moyens de décharge sont donc inutilisables dans la pra­
tique courante ambulatoire.
Concernant la prévention des lésions plantaires, elle peut être
encore plus difficile. Essentiellement parce que le patient se
sent peu concerné vu l’absence de symptômes (problème de
toute maladie chronique et silencieuse). Dans un souci de
prévention, les chaussures orthopédiques de série ou sur me­
sure sont indiquées. Elles ont pour but de décharger la zone à
risque du pied mais agissent comme un moyen passif. La dé­
charge de la zone avec haute PP peut, cependant, avoir comme
conséquence le transfert de la PP de cette zone à un autre en­
droit du pied qui, à son tour, pourra être sujet au développe­
ment d’un nouvel ulcère de pression.
En résumé, les dispositifs de décharge actuellement disponi­
bles permettent une bonne cicatrisation de l’ulcère, ce qui a
été largement investigué et confirmé par plusieurs études.
Ulcère
Cependant, les problèmes rencontrés aujourd’hui sont tou­
jours en lien avec : a) un taux de récidives des ulcères très élevé ;
b) un taux de prescriptions de ces dispositifs de décharge très
faible de la part des spécialistes et c) une faible adhérence
thérapeutique de la part des patients.
Infection profonde
Ostéomyélite
Afin de faire face à cette problématique majeure et persistante
dans le domaine du pied diabétique, un concept de « chaus­
sures intelligentes » a fait son chemin et serait capable de : a)
mesurer les PP sur la totalité de la surface plantaire du pied et
en permanence ; b) décharger automatiquement la (les) zone(s)
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fig 2
fig 3
Chaussure intelligente
Image de l’ensemble de la chaussure. MR : magnéto-rhéologique.
Stratégie de décharge du pied diabétique
A. Positionnement des zones de contrôle.
B. Zones présentant une haute pression plantaire. ΔI : déformation verticale.
Indicateur de charge
de la batterie
A
Zone à décharger
Semelle
fonctionnalisée
Exemple de zones présentant
un haut risque de développement
d’ulcères
Batterie
Electronique
Amortisseurs MR
miniaturisés
Région d’intérêt dans
l’avant-pied
Zones de soutien avec
raideur contrôlable
du pied avec une PP élevée et c) répartir les PP sous l’ensem­
ble du pied afin d’éliminer l’apparition de nouvelle(s) zone(s)
d’hyperpression plantaire et de diminuer ainsi le risque d’une
nouvelle ulcération.
B
Chaussures intelligentes pour mesurer
et adapter la souplesse de leurs semelles
Une collaboration étroite entre les Hôpitaux universitaires de
Genève (Service d'enseignement thérapeutique pour maladies
chroniques) et l’Ecole polytechnique fédérale de Lausanne
(Institut de microtechnique, Laboratoire d'actionneurs inté­
grés) a permis le développement de chaussures intelligentes
(figure 2). Ces dernières sont capables de détecter continuel­
lement la distribution des PP sous l’ensemble du pied du pa­
tient, d’adapter dynamiquement la forme des semelles pour
redistribuer les contraintes et de décharger la(les) zone(s) à
risque du pied. Ce dispositif est conçu pour être chaussé quo­
tidiennement par le patient et être capable d’accélérer la gué­
rison d’ulcères, et enfin de prévenir la formation d’un nouvel
ulcère ou de sa récidive.
La stratégie de décharge proposée prévoit la discrétisation de
la semelle en différentes zones contrôlées dont on peut mesurer
la PP et dont la souplesse peut être ajustée (figure 3A). En
particulier, à chaque zone contrôlée correspond un actionneur
miniaturisé qui peut être assimilé à un amortisseur à raideur
variable, capable de gérer sa déformation verticale en réponse
à différentes sollicitations externes : les zones caractérisées par
de fortes PP seront assouplies alors que la rigidité des zones
environnantes sera augmentée pour soutenir le poids du pied.
On peut ainsi créer une dépression locale dans la semelle en
dessous d’une zone avec une PP élevée, ce qui permettra la
décharge de cette partie du pied (figure 3B).
Le point central du dispositif développé réside dans des ac­
tionneurs miniatures qui sont situés en dessous de chaque
zone de contrôle.20 Ils sont composés de quatre parties fonc­
tionnelles superposées : un capteur de pression, un coussin
déformable souple en forme de soufflet qui est en contact avec
la surface plantaire du pied, une valve de contrôle et un réser­
voir sous-jacent contenant une membrane élastique (figure 4).
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Vue latérale
Profil plantaire du pied
ΔI Zones de soutien
environnantes
Zone à haute pression
plantaire
Le capteur de pression permet de mesurer constamment la
PP et de détecter la zone avec une PP anormalement haute.
Un liquide magnéto-rhéologique (MR) remplit le volume dé­
fini par le coussin et la valve jusqu’à la membrane élastique.
Le fonctionnement de l’amortisseur est le suivant (figure 4) :
dès que la charge du pied est appliquée sur le module, le coussin
souple se déforme verticalement et le fluide s’écoule dans le
réservoir sous-jacent au travers de la valve. La hauteur ainsi
que la rapidité de déformation (la raideur de l’actionneur)
peuvent être réglées en contrôlant le débit du fluide à travers
fig 4
Schéma représentant les parties
fonctionnelles de l’actionneur développé
MR : magnéto-rhéologique.
Capteur
de pression
Ecoulement
du fluide
MR
Membrane
élastique
de retour
Coussin
souple
Valve
MR
Elément de
contrôle primaire
Réservoir
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fig 5
Vue 3D de la semelle intelligente et d’un amortisseur magnéto-rhéologique miniaturisé réalisé
Electronique de contrôle/mesure
Capteur de
pression
28 mm
Coussin
déformable
Valve MR de
contrôle
Batteries
Amortisseur
MR
miniaturisé
Membrane
de retour
Semelle extérieure
15 mm
fig 6
Support de
soutien
Tests d’un actionneur soumis à des pressions similaires chez un patient diabétique
Deux situations « Décharge – Module OFF – Amortisseur souple » et « Soutien de la charge – Module ON – Amortisseur rigide » sont représentées.
Simulation de démarche – Réponse d’un module
Pression de contact (kPa)
600
300
0
Déformation verticale (mm)
0
1
2
3
4
Temp(s)
01 23456
Très souple (Module OFF)
Déformation importante
• Situation de décharge
•
Etat initial (Module OFF)
• Configuration initiale
Très rigide (Module ON)
• Petite déformation
• Situation de soutien
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Etat initial (Module OFF)
Configuration initiale
•
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la valve de contrôle. Si l’on désire une condition de souplesse
élevée, la valve est complètement ouverte et le débit est très
important. Par contre, dans le cas où l’on veut soutenir la
charge du pied, la valve sera fermée pour réduire au maximum
la déformation verticale et obtenir une rigidité de l’actionneur
très élevée. Dès que la charge du pied est enlevée (le patient
lève son pied lors de la marche), la configuration initiale est
restaurée grâce à la membrane élastique permettant au fluide
de remonter dans le coussin souple. La valve de contrôle est
un système magnétique qui interagit avec le liquide MR. Ce li­
quide magnétique change de viscosité lorsqu’il est soumis à
un champ magnétique externe. Au-delà d’un certain champ
magnétique, la viscosité est suffisamment élevée pour empêcher
le passage du liquide correspondant à une situation de valve
fermée.
La complexité du système se traduit par la taille de l’action­
neur couplé à la capacité de chaque module à supporter un
poids au-delà de 4 kg (ce qui correspond à environ à 400 kPa
en termes de PP). La figure 5 présente une vue 3D de la se­
melle complète et une vue détaillée d’un des actionneurs qui
ont été réalisés.21
Les actionneurs développés sont testés pour soutenir une
pression plantaire de 300 kPa. La différence de hauteur entre
un actionneur alimenté ou pas est de 2,1 mm (figure 6) pour
une consommation électrique de seulement 63 mW.
Conclusion
Malgré les moyens thérapeutiques et préventifs disponibles,
le taux élevé d’amputations chez les diabétiques reste inac­
ceptable. La problématique de la décharge du pied fait partie
des difficultés non résolues de la médecine d’aujourd’hui. Le
concept de chaussures intelligentes basées sur la mesure per­
manente de la pression plantaire et l’ajustement automatique
1IDF. International Diabetes Federation.
« Facts and figures : Did you know ? » Available at www.idf.org 2012.
2Bloomgarden ZT. American Diabetes
Association 60th scientific sessions, 2000 :
The diabetic foot. Diabetes Care 2001;24:
946-51.
3 Kristensen MT, Holm G, Kirketerp-Moller
K, Krasheninnikoff M, Gebuhr P. Very low
survival rates after non-traumatic lower
limb amputation in a consecutive series :
What to do ? Interact Cardiovasc Thorac
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4Pecoraro RE, Reiber GE, Burgess EM.
Pathways to diabetic limb amputation. Basis
for prevention. Diabetes Care 1990;13:
513-21.
5Tesfaye S, Selvarajah D. Advances in the
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Diabetes Metab Res Rev 2012;28(Suppl. 1):
8-14.
6 Dejgaard A. Pathophysiology and treatment of diabetic neuropathy. Diabet Med
1998;15:97-112.
7Pataky Z, Golay A, Bounameaux H,
Bobbioni-Harsch E, Assal JP. Relationship
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high plantar pressures in diabetic neuroischaemic patients. Diabetes Metab 2003;
29:489-95.
8Pataky Z, Assal JP, Faravel L, Da Silva J,
Golay A. Traiter les ulcères plantaires en
diminuant la pression d’appui. Med Hyg
2000;58:1220-4.
9 * Sumpio BE. Foot ulcers. N Engl J
Med 2000;343:787-93.
10Pataky Z, Golay A, Faravel L, et al. The
impact of callosities on the magnitude and
duration of plantar pressure in patients
with diabetes mellitus. A callus may cause
18,600 kilograms of excess plantar pressure per day. Diabetes Metab 2002;28:
356-61.
11Murray HJ, Boulton AJ. The patho­
physiology of diabetic foot ulceration.
Clin Podiatr Med Surg 1995;12:1-17.
12Armstrong DG, Lavery LA, Nixon BP,
Boulton AJ. It’s not what you put on, but
what you take off : Techniques for debri-
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de la raideur de sa semelle sous la(les) zone(s) à risque du pied
pourrait aider à accélérer la cicatrisation des ulcères et d’éviter
des rechutes. Il s’agit de « combler » le manque de sensibilité
du pied et de corriger l’impact du pied au sol lors de la marche.
Après un stade de développement et de prototypage, les études
cliniques sont prévues pour tester l’efficacité du dispositif
dans un contexte médical avec l’hypothèse que la durée de ci­
catrisation ainsi que le taux de récidives des ulcères plantaires
soient réduits. Les chaussures intelligentes pourraient ainsi
contribuer à diminuer davantage les amputations des mem­
bres inférieurs, conséquences majeures des ulcères aux pieds.
Ce que l’on savait déjà
Les dispositifs de décharge du pied diabétique disponibles pour la
pratique clinique sont efficaces pour la cicatrisation de l’ulcère
mais le taux de récidives de ces ulcères reste très élevé.
Les difficultés à porter ces dispositifs limitent les activités de la
vie quotidienne des patients et sont à l’origine de la non-adhérence
thérapeutique de la part des patients et du taux de prescription
très bas de la part des spécialistes.
Ce que cela apporte de nouveau
Une adaptation automatique de la souplesse de la semelle, basée
sur la mesure permanente de la PP sous tout le pied peut décharger
l’endroit à risque et répartir les PP d’une manière équilibrée, sans
risque de développer de nouvelles zones d’hyperpression, et
pourrait diminuer considérablement les récidives des ulcères.
L’intégration d’une semelle « intelligente » dans les chaussures
pourrait faciliter son usage par le patient au quotidien et diminuer
ainsi la non-adhérence thérapeutique.
Conflits d’intérêt : Y. Perriard, Z. Pataky, D. Grivon et Y. Civet ont déposé un
brevet (INPI, N° P28227FR00 / 0013-329) concernant un système de régulation
de pression agissant localement sur la peau et le tissu sous-cutané.
ding and off-loading the diabetic foot
wound. Clin Infect Dis 2004;39(Suppl. 2):
S92-9.
13Beuker BJ, van Deursen RW, Price P, et
al. Plantar pressure in off-loading devices
used in diabetic ulcer treatment. Wound
Repair Regen 2005;13:537-42.
14Armstrong DG, Lavery LA, Wu S, Boulton
AJM. Evaluation of removable and irremovable cast walkers in the healing of diabetic
foot wounds : A randomized controlled trial.
Diabetes Care 2005;28:551-4.
15Fife CE, Carter MJ, Walker D. Why is it
so hard to do the right thing in wound care ?
Wound Repair Regen 2010;18:154-8.
16* Wu SC, Jensen JL, Weber AK, Robinson DE, Armstrong DG. Use of pressure
offloading devices in diabetic foot ulcers :
Do we practice what we preach ? Diabetes
Care 2008;31:2118-9.
17Armstrong DG, Nguyen HC, Lavery LA,
et al. Off-loading the diabetic foot wound :
A randomized clinical trial. Diabetes Care
2001;24:1019-22.
18Armstrong DG, Lavery LA, Kimbriel HR,
Nixon BP, Boulton AJ. Activity patterns of
patients with diabetic foot ulceration :
Patients with active ulceration may not
adhere to a standard pressure off-loading
regimen. Diabetes Care 2003;26:2595-7.
19* Allet L, Armand S, de Bie RA, et al.
Gait alterations of diabetic patients while
walking on different surfaces. Gait Posture
2009;29:488-93.
20Perriard Y, Pataky Z, Grivon D, Civet Y.
Système de régulation de pression agissant
localement sur la peau et le tissu sous-coutané, INPI, Patent N° P28227FR00/0013-329,
Ecole polytechnique fédérale de Lausanne,
Hôpitaux Universitaires de Genève, 2014.
21Grivon D, Civet Y, Pataky Z, Perriard Y.
Design and characterization of a soft miniature magneto-rheological shock absorber.
10th International symposium on linear
drives for industry applications. Aachen,
Germany : July 27-29, 2015.
* à lire
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